Wetenschap
Onderzoekers ontwikkelen een mechanisme voor elektrische 180 ° -schakeling van de Néel-vector in een spin-splitsende antiferromagneet
Een onderzoeksteam onder leiding van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) en Tsinghua University heeft theoretisch een nieuw mechanisme voorgesteld voor het elektrisch 180° schakelen van de Néel-vector en dit experimenteel gerealiseerd in antiferromagnetische materialen met een spin-splitsende bandstructuur met de C- gepaarde spin-valley-vergrendeling, ook wel een altermagneet genoemd. Het team demonstreerde ook het vermogen van het materiaal om de Néel-vector te manipuleren, waardoor de weg werd vrijgemaakt voor de productie van ultrasnelle geheugenapparaten.
Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances .
Antiferromagnetische spintronica heeft brede belangstelling gewekt vanwege het enorme potentieel ervan voor het creëren van ultradicht en ultrasnel antiferromagnetisch geheugen dat geschikt is voor moderne hoogwaardige informatietechnologieën.
Het elektrisch 180° schakelen van de Néel-vector is een langetermijndoelstelling voor het produceren van elektrisch regelbaar antiferromagnetisch geheugen met behulp van tegengestelde Néel-vectoren als binair "0" en "1". De state-of-art antiferromagnetische schakelmechanismen zijn echter lange tijd beperkt gebleven tot het schakelen van 90° of 120° van de Néel-vector, wat onvermijdelijk meerdere schrijfkanalen vereist die ultradense integratie tegenspreken.
De studie van de elektrische 180°-schakeling van de Néel-vector maakt de spin-splitsende antiferromagneet een nieuwe potentiële kandidaat voor ultrasnel geheugen.
Concreet heeft de Néel-vector n in collineaire antiferromagneet twee stabiele toestanden:n+ en n- met symmetrische energiebarrières. Om een asymmetrie van energiebarrières te behouden, stelde het team onder leiding van prof. Liu Junwei, universitair hoofddocent aan de afdeling natuurkunde van HKUST, voor om een extern magnetisch veld uit te oefenen om te interageren met het kleine door DMI geïnduceerde moment.
Vervolgens kan het dempingsachtige spin-baankoppel worden gebruikt om Néel-vector n ertoe aan te zetten de barrière te passeren vanaf n+ naar n- maar kan de andere niet oversteken (Figuur 1a). Zoals weergegeven in figuur 1b laat de simulatie van het atomaire spinmodel zien dat n deterministisch kan worden geschakeld naar de toestand n+ of n- in 0,1 ns. Door de niet-nul Berry-krommingen op spin-splitting bands van het strak-bindende model te integreren, vertonen de afwijkende Hall-geleidbaarheiden een hoge gevoeligheid voor deze twee toestanden n+ en n- , weergegeven in figuur 1c.
-
Figuur 1 (b) Atoomspinsimulatie van Néel-vector n in antiferromagneet Mn5 Si3 . Credit:HKUST -
Figuur 1 (c) Afwijkende Hall-geleidbaarheid van verschillende antiferromagnetische configuraties berekend met behulp van de tight-binding-methode. Credit:HKUST
In experimenten onder leiding van prof. Pan Feng en prof. Song Cheng, van de School of Materials Science and Engineering aan de Tsinghua Universiteit, worden de goede cyclische prestaties van gefabriceerde antiferromagnetische Mn5Si3 dunne film getoond in figuur 1d, wat betekent dat de stroomgestuurde 180 ° het omschakelen van de Néel-vector is robuust en duurzaam.
In feite had het team een paar jaar geleden in Nature Communications een nieuwe theorie gepresenteerd als C-paired spin-valley lock (SVL). , wat een nieuwe manier aangeeft om de magnetisatie in antiferromagneet te induceren en de basis legt voor het schakelen van Néel Vector.
Vergeleken met conventionele T-gepaarde SVL-materialen creëren de C-gepaarde SVL-materialen de spin-splitsende banden door de sterke uitwisselingskoppeling tussen rondtrekkende elektronen en lokale magnetische momenten in plaats van SOC.
-
Figuur 1 (d) Goede cyclische prestaties van de antiferromagnetische Mn5 Si3 apparaat. Credit:HKUST -
Figuur 2. Spin-splitsende energiebanden van (a) T-gepaarde SVL en (b) C-gepaarde SVL. Credit:HKUST
Bovendien zijn de spin-splitsende valleien gepaard met tegengestelde spinrichtingen door behoud van kristalsymmetrie in plaats van tijd-omkeersymmetrie, zoals weergegeven in figuur 2. In de praktijk kan een spannings-/laadstroom worden uitgeoefend om de kristalsymmetrie enigszins te breken of te beïnvloeden en induceer daarom een netto magnetisatie / niet-collineaire spinstroom.
Gebaseerd op de theoretische en experimentele studie van elektrische 180°-schakeling en uitlezing van de Néel-vector in Mn5 Si3 Er zijn elektrisch bestuurbare AFM-geheugenapparaten verkrijgbaar met een hoog rendement en hoge reproduceerbaarheid. Dit basiswerk bereikte de informatietransformatie tussen ladings- en spinvrijheidsgraden in antiferromagneet, waardoor de weg werd vrijgemaakt voor de snelle ontwikkeling van spintronica in de elektronica-industrie.
Met zijn potentiële toepassing als opslagapparaat, zoals in de harde schijf van een computer, biedt het materiaal opmerkelijke voordelen, waaronder verbeterde lees- en schrijfsnelheden, evenals een verhoogde opslagdichtheid.
Prof. Liu hoopt dat het team in de toekomst meer schakelmechanismen en de onderliggende fysica zal onderzoeken, en zal proberen te zoeken naar geschiktere materiaalplatforms met een hogere efficiëntie.